Tony Stark, New York'taki Chitauri istilasının ardından yaşadığı travmatik deneyimlerle boğuşmaktadır. Geceleyin uykusuz ve endişeli bir şekilde çalışarak Iron Man zırhlarını geliştirmekte ve tehditlere karşı hazırlıklı olmaya çalışmaktadır. Ancak, Tony'nin düşmanları arasında, gizemli bir terörist lider olan Mandarin ve onun A.I.M. adlı örgütü de vardır. Mandarin, Amerikan askeri tesislerini ve kaynaklarını hedef alan bir dizi saldırı düzenlerken, Tony'nin yakın arkadaşı Happy Hogan da saldırıların bir hedefi olur. Tony, Mandarin'i durdurmak ve sevdiklerini korumak için harekete geçer. Ancak, Mandarin'in gerçek kimliğinin ve niyetlerinin ne olduğunu çözmek Tony için zorlu bir mücadele haline gelir. Tony'nin yanı sıra, geçmişinden gelen hayaletlerle de mücadele etmek zorundadır. Ayrıca, eski bir bilim adamı olan Aldrich Killian'ın da planlarını bozmak zorunda kalır. Killian, ölümcül bir süper asker serumu geliştirmiştir ve Tony'nin eski sevgilisi Pepper Potts'u da bu projede kullanmıştır.